CAN FD简介

CAN FD简介

1 CAN FD简介

　　在汽车领域，随着人们对数据传输带宽要求的增加，传统的CAN总线由于带宽的限制难以满足这种增加的需求。此外为了缩小CAN网络（max. 1MBit/s）与FlexRay(max.10MBit/s)网络的带宽差距，BOSCH公司推出了CAN FD。
CAN FD（CAN with Flexible Data rate）继承了CAN总线的主要特性。CAN总线采用双线串行通讯协议，基于非破坏性仲裁技术，分布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制使CAN总线有很高的安全性，但CAN总线带宽和数据场长度却受到制约。CAN FD总线弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约，CAN FD总线与CAN总线的区别主要在以下两个方面：
　　1. 可变速率：CAN FD采用了两种位速率。从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，其余部分为原CAN总线用的速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器，它们除了采用不同的位时间单位TQ外，位时间各段的分配比例也可不同；
　　2. 新的数据场长度：CAN FD对数据场的长度作了很大的扩充，DLC最大支持64个字节，在DLC小于等于8时与原CAN总线是一样的，大于8时有一个非线性的增长，所以最大的数据场长度可达64字节。

1.1 CAN FD数据帧帧格式

　　CAN FD数据帧在控制场新添加EDL位、BRS位、ESI位，采用了新的DLC编码方式、新的CRC算法（CRC场扩展到21位）。CAN FD数据帧格式如下图所示。

1.2 新添加位介绍

• EDL位（Extended Data Length）：原CAN数据帧中的保留位R。隐性表示CAN FD报文（采用新的DLC编码和CRC算法），显性表示CAN报文；
• BRS位（Bit Rate Switch）：该位隐性表示转换可变速率，显性表示不转换速率；

• ESI位（Error State Indicator）：该位隐性表示发送节点处于被动错误状态（Error Passive），显性表示发送节点处于主动错误状态（Error Active）；
  　　EDL位可以表示CAN报文还是CAN FD报文；BRS表示位速率转换，该位为隐性位时，从BRS位到CRC界定符使用转换速率传输，其他位场使用标准位速率，该位为显性时，以正常的CAN FD总线速率传输；通过添加ESI位，可以很方便的知道当前发送节点所处的状态。

  1.3 新的CRC算法

  　　CAN总线由于位填充规则对CRC的干扰，造成错帧漏检率未达到设计意图。CAN FD对CRC算法做了改变，即CRC以含填充位的位流进行计算。在校验和部分为避免再有连续位超过6个，就确定在第一位以及以后每4位添加一个填充位加以分割，这个填充位的值是上一位的反码，作为格式检查，如果填充位不是上一位的反码，就作出错处理。CAN FD的CRC场扩展到了21位。由于数据场长度有很大变化区间，所以要根据DLC大小应用不同的CRC生成多项式，CRC_17，适合于帧长小于210位的帧，CRC_21，适适合于帧长小于1023位的帧。

  1.4 新的DLC编码

  　　CAN FD数据帧采用了新的新的DLC编码方式，在数据场长度在0-8个字节时，采用线性规则，数据场长度为12-64个字节时，使用非线性编码。如下图所示。
  

  2 SylixOS中CAN FD的实现

  2.1 CAN驱动实现

  　　SylixOS的CAN驱动框架在原有CAN的基础上增加了对CAN FD的支持。对应于新的CAN帧格式，SylixOS增加了新的帧结构定义，如下所示。

  typedef struct {
  UINT32              CAN_uiId;
  UINT32              CAN_uiChannel;
  BOOL                CAN_bExtId;
  BOOL                CAN_bRtr; 
  UINT32              CAN_uiCanFdFlags;
  #define CAN_FD_FLAG_EDL     1
  #define CAN_FD_FLAG_BRS     2
  #define CAN_FD_FLAG_ESI     4
  UCHAR               CAN_ucLen; 
  UCHAR               CAN_ucData[CAN_FD_MAX_DATA];
  } CAN_FD_FRAME;
  typedef CAN_FD_FRAME   *PCAN_FD_FRAME;

  　　为了同时兼容CAN与CAN FD，系统在创建CAN设备申请帧缓冲区时，以帧结构较大的CAN FD帧报文为单位进行申请。同时通过ioctl新增加的CAN_DEV_CAN_FD选项查看CAN设备驱动以及控制器是否支持CAN FD。此次查询决定了后续驱动对帧缓冲区进行读写时的帧报文格式，即标准CAN或CAN FD。因此CAN FD驱动的ioctl接口除了要实现标准CAN驱动的选项外，还要额外实现CAN_DEV_CAN_FD选项，如下所示。

  case CAN_DEV_CAN_FD:
      *(UINT *)lArg = CAN_STD_CAN_FD;
      break;

  2.2 应用层实现

  　　应用层需要收发CAN FD报文时，必须通过ioctl的CAN_FIO_CAN_FD选项对CAN FD进行设置，如下所示。

  CAN_FD_FRAME   canfdframe[10];
  ssize_t        size;
  ssize_t        frame_num;
  long            status;
   ...
  
  canfile = open("/dev/can0", O_RDWR);
  
  ioctl(canfile, CAN_DEV_SET_MODE, 1);
  ioctl(canfile, CAN_DEV_SET_BAUD, LW_OSIOD_LARG(*));
  /*
  *  must call this before read() write()
  */
  ioctl(canfile, CAN_FIO_CAN_FD, CAN_STD_CAN_FD);
  ioctl(canfile, CAN_DEV_STARTUP);
  
  size       = read(canfile, canfdframe, 10 * sizeof(CAN_FD_FRAME));
  frame_num = size / sizeof(CAN_FD_FRAME);
  
  if (frame_num <= 0) {
      ioctl(canfile, CAN_DEV_GET_BUS_STATE, &status);
      ...
      ioctl(canfile, CAN_DEV_REST_CONTROLLER);
  }
  
  ...
  size       = write(canfile, canfdframe, 10 * sizeof(CAN_FD_FRAME));
  frame_num = size / sizeof(CAN_FD_FRAME);

  3 参考资料

  　　《CAN FD协议介绍》：http://www.cechina.cn/company/50633_156096/messagedetail.aspx